陳忠海

(溫州科技職業(yè)學(xué)院，浙江 溫州 325006)

焊接工藝

摩擦焊接技術(shù)及其工程應(yīng)用

陳忠海

(溫州科技職業(yè)學(xué)院，浙江 溫州 325006)

摩擦焊接是一種高效、節(jié)能、環(huán)保的固相焊接技術(shù)，當(dāng)前摩擦焊接已經(jīng)廣泛用于制造業(yè)。按照各種摩擦焊接技術(shù)出現(xiàn)的先后順序，介紹了各種摩擦焊接技術(shù)的原理和特點(diǎn)以及在工業(yè)上的應(yīng)用，以期促進(jìn)圍繞該技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究和工程實(shí)用化進(jìn)程。

摩擦焊接；固相焊接；制造業(yè)

1 摩擦焊接技術(shù)

摩擦焊接是利用焊接接觸端面相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中相互摩擦所產(chǎn)生的熱量，使端部達(dá)到熱塑性狀態(tài)，然后迅速頂鍛，使接頭界面在壓力下進(jìn)行固態(tài)擴(kuò)散及反應(yīng)而實(shí)現(xiàn)連接的一種固相焊接技術(shù)。自19世紀(jì)晚期，Bevington申請(qǐng)第一個(gè)有關(guān)摩擦焊方面的專利以來，摩擦焊接技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的發(fā)展過程，相關(guān)的摩擦焊接技術(shù)種類也到達(dá)數(shù)十種。當(dāng)前，世界各主要工業(yè)國(guó)在摩擦焊接領(lǐng)域均取得了一定的成就，并有相關(guān)的焊接研究機(jī)構(gòu)對(duì)該技術(shù)進(jìn)行研究，如英國(guó)焊接研究所(TWI)、美國(guó)愛迪生焊接研究所(EWI)、法國(guó)焊接研究所(FWI)等。TWI在摩擦堆焊、攪拌摩擦焊、摩擦疊焊等方面取得了顯著的成就，尤其是攪拌摩擦焊技術(shù)，被認(rèn)為是20世紀(jì)鋁合金焊接技術(shù)的重大突破。我國(guó)對(duì)摩擦焊接的研究始于1957年，目前對(duì)攪拌摩擦焊接、摩擦疊焊等新技術(shù)有了較大的投入也取得了一定的成績(jī)。

隨著國(guó)家大力提倡環(huán)境保護(hù)、減少資源消耗、提高能源利用率、減輕對(duì)環(huán)境的污染成為各工業(yè)部門在產(chǎn)品研發(fā)時(shí)要特別注意的一個(gè)問題。在焊接領(lǐng)域，摩擦焊以其低耗能、無污染、高效率、加工質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)而深受制造業(yè)青睞。

1.1 摩擦焊接中的可焊接組合

(1)同種金屬材料組合，包括常規(guī)可焊金屬以及常規(guī)焊接情況下不可焊金屬，如鋁合金在常規(guī)焊接模式下是較難焊接的，但摩擦焊接技術(shù)可將之焊接。這種組合金屬的特性相同，具有較好的可焊性。

(2)金屬材料與非金屬材料的焊接，如鈦基金屬陶瓷與金屬的焊接，鈦基金屬陶瓷由于其脆性高，熔點(diǎn)、線性膨脹系數(shù)比金屬高，使之在常規(guī)焊接下較難連接，采用摩擦焊接可完成連接。

(3)異種金屬的焊接，由于摩擦焊接往往能把不同種類的金屬材料焊接在一起，因而可以大大地降低生產(chǎn)成本。如將價(jià)格昂貴的金屬材料焊接到必要的地方，而其他地方用造價(jià)較低的材料，可節(jié)約成本。但是對(duì)于某些摩擦焊接技術(shù)而言，熔點(diǎn)以及硬度相差較大的異種金屬材料之間不具備良好的可焊性，比如采用摩擦疊焊技術(shù)對(duì)Q235鋼與2024鋁合金的焊接。

1.2 摩擦焊接設(shè)備

隨著摩擦焊技術(shù)的廣泛應(yīng)用，摩擦焊設(shè)備也得到了迅速的發(fā)展，目前我國(guó)將近1 000臺(tái)摩擦焊機(jī)，但絕大部分是連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊機(jī)。摩擦焊機(jī)有通用、專用兩類，專用焊機(jī)的自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率高，且質(zhì)量容易保證。我國(guó)早期的摩擦焊機(jī)主要從國(guó)外進(jìn)口，隨著實(shí)際生產(chǎn)的需要，國(guó)內(nèi)對(duì)于其他型式的摩擦焊機(jī)也進(jìn)行了研制，如長(zhǎng)春焊接設(shè)備廠研制了小噸位的慣性焊機(jī)；哈爾濱焊接研究所研制了具有形變熱處理功能帶機(jī)上淬火裝置及自動(dòng)去飛邊裝置的混合式摩擦焊機(jī)；哈爾濱量具刃具廠研制了20 t雙頭摩擦焊機(jī)；中國(guó)兵器工業(yè)研究所研制了小噸位徑向摩擦焊機(jī)；北京賽福斯特技術(shù)有限公司研制了系列攪拌摩擦焊機(jī)；北京石油化工學(xué)院自行設(shè)計(jì)并委托中國(guó)攪拌摩擦焊中心加工完成的國(guó)內(nèi)首臺(tái)摩擦疊焊實(shí)驗(yàn)設(shè)備(型號(hào)UFSW-2005)，于2006年9月完成并投入使用。這些焊機(jī)有的技術(shù)指標(biāo)和制造水平已達(dá)到或接近國(guó)外同類焊機(jī)的水平。

2 摩擦焊類型和運(yùn)用

2.1 旋轉(zhuǎn)摩擦焊

旋轉(zhuǎn)摩擦焊是迄今為止最常見的一種摩擦焊，在機(jī)器工業(yè)中占有很大的比例，可以焊接直徑從1～200 mm的固體圓柱棒。旋轉(zhuǎn)摩擦焊有三種類型：連續(xù)驅(qū)動(dòng)焊、慣性摩擦焊以及兩種方式的組合。

連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊其基本過程如圖1所示。一端高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)在兩端施加軸向力，摩擦加熱到預(yù)定溫度后，停止馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)并施加一個(gè)更大的軸向力進(jìn)行頂鍛。在慣性摩擦焊中(見圖2)，將其中的一個(gè)工件連接到飛輪上，當(dāng)達(dá)到適當(dāng)?shù)乃俣群?，停止飛輪的運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)另一工件施加軸向力進(jìn)行頂鍛。工件接觸點(diǎn)的摩擦，既是熱源，又是制動(dòng)方式[1]。兩種旋轉(zhuǎn)摩擦焊最本質(zhì)的區(qū)別是：連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊是由一個(gè)連續(xù)的軸向速度(這個(gè)速度在不同的焊接周期可能隨時(shí)改變)驅(qū)動(dòng)，而慣性摩擦焊預(yù)先估計(jì)所需的能量，讓飛輪達(dá)到一個(gè)較高的速度，將能量保存在飛輪上，然后逐漸減小到零，將這些能量在接觸面上轉(zhuǎn)化為熱量。

旋轉(zhuǎn)摩擦焊適用于各種異型金屬組合的焊接。不同結(jié)構(gòu)以及具有不同熱和力學(xué)性質(zhì)的異種金屬也可以焊接。鑒于焊接周期短，容易獲得實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，汽車工業(yè)對(duì)此特別青睞，并已安裝了大批旋轉(zhuǎn)摩擦焊接機(jī)用于生產(chǎn)至少有一個(gè)部件具有對(duì)稱性的零件，比如傳動(dòng)鏈條部分中的傳動(dòng)軸、齒輪、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣閥門、變速箱等同軸性有較高要求的部件，鋁合金輪輞也通過這種焊接方式批量生產(chǎn)[2]。

圖1 旋轉(zhuǎn)摩擦焊接

圖2 慣性摩擦焊

2.2 徑向摩擦焊

旋轉(zhuǎn)摩擦焊有一個(gè)內(nèi)在的缺陷，即焊接對(duì)象是小部件，但若是兩根長(zhǎng)管進(jìn)行焊接，用旋轉(zhuǎn)摩擦焊就比較困難，徑向摩擦焊可以很好地解決這個(gè)問題。徑向摩擦焊接是TWI于20世紀(jì)70年代發(fā)明的以管道連接為初始目的的一種固相焊接技術(shù)。如圖3所示，兩端管段靜止，用一個(gè)可消耗性的V型環(huán)夾緊緊夾住兩管，由一個(gè)連續(xù)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)V型環(huán)，同時(shí)在徑向施加一個(gè)力。為了防止管道在外力作用下變形，管段內(nèi)部放置支持芯軸。界面產(chǎn)生的摩擦熱把接頭區(qū)域加熱到焊接溫度，圓周表面產(chǎn)生塑性變形，在頂鍛壓力作用下，經(jīng)過擴(kuò)散和再結(jié)晶形成焊接接頭。

在石油和天然氣管道連接方面，徑向摩擦焊具有廣闊的應(yīng)用前景。20世紀(jì)80年代，一家挪威公司與TWI合作開發(fā)了用于海底管道鋪設(shè)的徑向摩擦焊接樣機(jī)，可焊管道直徑100 mm、厚度12.7 mm。目前，國(guó)外正在試驗(yàn)?zāi)軌蚝附?50～300 mm鈦合金立管的徑向摩擦焊接樣機(jī)。在兵器行業(yè)中能實(shí)現(xiàn)薄壁純銅和鋼彈體的連接，可促進(jìn)軍工產(chǎn)品升級(jí)換代。我國(guó)對(duì)于徑向摩擦焊接也開展了一些研究，但用于石油天然氣管道連接的樣機(jī)研制還未見報(bào)道。

徑向摩擦焊接效率很高，管道連接時(shí)間通常少于1 min，但是一直未能很好地工業(yè)化，主要原因是設(shè)備投入過大，根據(jù)估算，焊接700 mm管道所需要的徑向力約為1 000 t。

圖3 徑向摩擦焊示意

2.3 摩擦堆焊

摩擦堆焊可在材料表面獲得無稀釋、結(jié)合完整的焊敷層，是一項(xiàng)高效、優(yōu)質(zhì)、低成本的摩擦焊技術(shù)，該技術(shù)對(duì)于解決無法采用旋轉(zhuǎn)摩擦焊的大型或異型構(gòu)件以及難焊材料的焊接都具有應(yīng)用價(jià)值。如圖4所示，給旋轉(zhuǎn)的棒材施加一個(gè)向下的軸向力，當(dāng)棒材與待焊母材的界面處產(chǎn)生熱塑性層時(shí)，移動(dòng)母材，直至基體母材上形成連續(xù)的堆焊層[3]。堆焊過程主要經(jīng)過四個(gè)階段，即初始摩擦階段、不穩(wěn)定摩擦階段、穩(wěn)定摩擦階段、熱塑性層的形成階段。各階段的時(shí)長(zhǎng)主要取決于施加在棒材上的壓力，同時(shí)受棒材直徑、轉(zhuǎn)速、耗材母板的物理性質(zhì)的影響。塑性層形成后，摩擦面由棒材和母材間的摩擦轉(zhuǎn)到棒材和塑性層之間的摩擦，之后進(jìn)入穩(wěn)定摩擦階段。摩擦堆焊的熱量由棒材在母材上高速旋轉(zhuǎn)及棒材與母材相對(duì)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生，其中前者是主要熱源。

圖4 摩擦堆焊示意

摩擦堆焊技術(shù)于20世紀(jì)中葉誕生于前蘇聯(lián)，歐美許多國(guó)家，已對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了研究并應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)。目前這一焊接技術(shù)已被用于鋒利刀片的商業(yè)生產(chǎn)。在汽車工業(yè)中，可用摩擦堆焊來生產(chǎn)制動(dòng)盤和耐磨層；TWI在ALCOA技術(shù)中心的資助下，應(yīng)用摩擦堆焊技術(shù)焊接過厚度為8 mm的7075鋁合金板，并已完成大量異種材質(zhì)的堆焊工作，如將316不銹鋼熔敷到低碳鋼表面，2011鋁合金熔敷到2014鋁合金表面等。

摩擦堆焊技術(shù)不只局限于焊接領(lǐng)域，還可廣泛拓寬應(yīng)用范圍，在摩擦軋制、零件快速制造、復(fù)合材料制備、材料再利用加工等方面有巨大的開發(fā)潛力。英國(guó)、美國(guó)、日本和俄羅斯等國(guó)都相繼開展了摩擦堆焊技術(shù)的研究與開發(fā)工作，在實(shí)際應(yīng)用方面取得較大進(jìn)展。在發(fā)達(dá)國(guó)家，該項(xiàng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于包括宇航、近海油田開發(fā)等許多工業(yè)領(lǐng)域中，為航天器、艦船及裝甲結(jié)構(gòu)等裝備的制造和維修提供了可靠、有效的工藝手段。美國(guó)國(guó)防部已把摩擦堆焊技術(shù)列入關(guān)鍵制造技術(shù)計(jì)劃之中[4]。

摩擦堆焊對(duì)于設(shè)備的軸向壓力較高，從而導(dǎo)致設(shè)備費(fèi)用較高。英國(guó)Black公司1991年獲得Frictec公司(摩擦堆焊技術(shù)專營(yíng)公司)190萬英鎊的資助，制造了世界上第一臺(tái)摩擦堆焊設(shè)備。

2.4 線性摩擦焊

線性摩擦焊用于焊接截面為非圓柱形金屬體和大批焊接點(diǎn)比較復(fù)雜的零部件。如圖5所示，先固定其中的一個(gè)零件，然后將另一零件以極高的速度來回運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)很窄的摩擦加熱區(qū)。摩擦產(chǎn)生的熱量使兩者的接觸面塑性化，當(dāng)加熱區(qū)的溫度達(dá)到所要求的溫度時(shí)，在一個(gè)較大頂鍛力的作用下兩者連接成整體，最后打磨掉多余的材料。

圖5 線性摩擦焊接技術(shù)示意

線性摩擦焊接技術(shù)是目前較先進(jìn)的整體葉盤制造技術(shù)。早期，線性摩擦焊接技術(shù)用于焊接壓氣機(jī)葉片和輪盤，可將葉片與不同材料制造的輪盤焊接在一起，減重效果顯著并可節(jié)約大量貴金屬。線性摩擦焊接技術(shù)成功應(yīng)用在歐洲戰(zhàn)斗機(jī)EJ-2000的3級(jí)低壓壓氣機(jī)整體葉盤制造中，標(biāo)志著該技術(shù)的應(yīng)用達(dá)到了很高的程度。歐洲戰(zhàn)斗機(jī)公司計(jì)劃為“臺(tái)風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)提供線性摩擦焊接的整體葉盤；21世紀(jì)初將生產(chǎn)3 000架JSF聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)亦將采用線性摩擦焊接整體葉盤結(jié)構(gòu)?；萜展緸镕-22研制的F119發(fā)動(dòng)機(jī)中，全部風(fēng)扇以及高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子均采用了整體葉盤。

線性摩擦焊設(shè)備的造價(jià)昂貴，導(dǎo)致其應(yīng)用范圍有限，研制開發(fā)低成本的線性摩擦焊機(jī)是推廣線性摩擦焊接技術(shù)的必經(jīng)之路。1990年，首臺(tái)用于金屬焊接的線性摩擦焊機(jī)在英國(guó)誕生，目前，TWI公司已經(jīng)在研制造價(jià)更低的線性摩擦焊機(jī)。

2.5 攪拌摩擦焊

1991年，英國(guó)焊接研究所發(fā)明了攪拌摩擦焊技術(shù)，該技術(shù)的發(fā)明大大簡(jiǎn)化了高強(qiáng)度鋁合金的加工。攪拌摩擦焊過程實(shí)際上是一個(gè)非消耗性的熱剪切過程。如圖6所示，其主要部分包括：軸肩、攪拌針、焊接前沿、焊接后沿、攪拌頭后沿、攪拌頭前沿、焊縫等部分[5]。在垂直母材方向力的作用下，攪拌針在焊逢里面高速旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生大量的熱，在焊逢中產(chǎn)生一個(gè)塑性區(qū)域，攪拌頭前進(jìn)，后面塑性部分冷卻后即可達(dá)到焊接效果。采用攪拌摩擦焊接技術(shù)焊接鋁合金，能夠避免因接頭金屬熔化造成的氣孔裂紋等冶金缺陷。而攪拌摩擦焊接過程中伴隨著強(qiáng)烈的摩擦、碾壓與破碎作用，對(duì)接頭表面氧化膜有一定的機(jī)械破碎作用，所以氧化膜將不再是鋁合金焊接的困難之一。相對(duì)于激光焊而言，攪拌摩擦焊既是一項(xiàng)固相焊接技術(shù)，又是一項(xiàng)高效焊接技術(shù)[6-8]。

圖6 攪拌摩擦焊

挪威最早用FSW焊接技術(shù)焊接6 mm×16 mm的6068-T6鋁合金船板和20 m長(zhǎng)的鋁合金快艇，焊接總長(zhǎng)度達(dá)1 000 m。TWI和EWI等研究所除了將該技術(shù)用于鋁合金外，還將該技術(shù)用于黑色金屬和其他金屬的焊接[9]。目前該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天制造業(yè)。波音公司為了降低成本、節(jié)省經(jīng)費(fèi)將長(zhǎng)期使用的GMAW焊接改為FSW焊接，1999年初，波音公司在加州的Huntington Beach工廠用FSW焊接生產(chǎn)了DeltaⅡ和Ⅲ運(yùn)載火箭的貯箱，2001年用FSW焊接生產(chǎn)了DeltaⅣ運(yùn)載火箭的貯箱。歐洲航空工業(yè)公司已開展了“飛機(jī)框架結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦焊”項(xiàng)目；造船工業(yè)中，澳大利亞的海洋觀光船上許多平直焊縫均采用便攜式攪拌摩擦焊機(jī)焊接。日本Sum itomo輕金屬公司采用攪拌摩擦焊生產(chǎn)鋁質(zhì)蜂窩結(jié)構(gòu)板件和耐海水的板材；機(jī)車工業(yè)中生產(chǎn)整流子和高速列車的中空型材也采用攪拌摩擦焊技術(shù)。

TWI對(duì)攪拌摩擦焊接技術(shù)提出了一系列新的改進(jìn)，在一塊母材上同時(shí)使用兩個(gè)或多個(gè)攪拌摩擦焊焊頭進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。在母材焊縫兩側(cè)相對(duì)應(yīng)的位置用一對(duì)攪拌頭沿焊縫進(jìn)行焊接。相反方向同時(shí)進(jìn)行焊接的好處是可以減少反作用力矩，得到更對(duì)稱的焊縫，兩個(gè)攪拌針無須接觸，但兩者間的距離必須很小，如圖7所示。這種方法可以提高焊接效率，同時(shí)可以減少力的不對(duì)稱性，及減少甚至能排除反作用力矩。此外，TWI最近又提出了在一側(cè)同時(shí)用兩個(gè)攪拌頭的想法，如圖8所示。前端攪拌頭用于預(yù)熱，后面的攪拌頭則用于焊接。圖9中一前一后兩個(gè)孔洞表明前端攪拌頭和后端攪拌頭得到焊接孔洞痕跡基本類似，金相學(xué)檢驗(yàn)表明焊接得到的顆粒更細(xì)膩，和鋁合金常規(guī)旋轉(zhuǎn)摩擦焊所得到的顆粒極其相似。同時(shí)用兩個(gè)攪拌頭的開發(fā)研究還不多，主要的原因是比使用一個(gè)攪拌頭要復(fù)雜得多，但是這種方法極大地改善了焊逢的完整性和對(duì)稱性。上述兩種方法目前尚未用于商業(yè)生產(chǎn)。

圖7 相反方向雙攪拌頭攪拌摩擦焊

圖8 單側(cè)雙攪拌頭攪拌摩擦焊

圖9 雙攪拌頭焊接實(shí)物

2.6 嵌入摩擦焊和第三體摩擦焊

嵌入摩擦焊易于對(duì)鋁合金及不同種材料進(jìn)行加工，如圖10所示，在一個(gè)較軟的母材里面嵌入一個(gè)較硬的金屬棒，工件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦熱使軟材料的表面產(chǎn)生局部塑性化，材料塑性化后流入不易變形磨損的硬凹槽(銜接作用)區(qū)域。流動(dòng)停止后，塑性材料凝結(jié)形成機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)，在結(jié)合處可能還會(huì)形成冶金結(jié)合。這種技術(shù)提供機(jī)械互鎖有助于減少災(zāi)難性故障，利用嵌入摩擦焊接技術(shù)完成焊接實(shí)物如圖11所示。TWI所做的嵌入摩擦焊試驗(yàn)證明被焊材料可以得到良好的機(jī)械性能。冶金檢查顯示，相對(duì)較硬的材料被較軟的材料所包圍且接口處和其他整個(gè)嵌入部分具有良好的機(jī)械性能。

硬度相同的情況下要達(dá)到機(jī)械互鎖的目的，可考慮使用熔點(diǎn)相對(duì)較低的“第三體”。如圖12所示，在兩個(gè)工件間加入較軟的“第三體”，較硬材料的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，擠壓較軟材料，使之塑性化將較硬的材料焊接起來，在工件凹角處會(huì)產(chǎn)生良好的機(jī)械互鎖，這個(gè)過程不會(huì)出現(xiàn)冶金結(jié)合，這種方法被稱為第三體摩擦焊。實(shí)際上第三體摩擦焊是嵌入摩擦焊在特殊情況下的應(yīng)用。

圖10 嵌入摩擦焊

圖11 宏觀截面

圖12 第三體摩擦焊

這兩種摩擦焊接方法主要適用于對(duì)材料機(jī)械安全性要求較高的場(chǎng)合。

2.7 摩擦疊焊

摩擦疊焊是英國(guó)焊接研究所繼1991年發(fā)明攪拌摩擦焊技術(shù)以來在固相焊接領(lǐng)域的又一重大貢獻(xiàn)[11]。FHPP(Friction Hydro Pillar Process)技術(shù)正在發(fā)展完善，英國(guó)、德國(guó)等西方國(guó)家研究比較早，投入也較多，技術(shù)相對(duì)來說比較成熟，而國(guó)內(nèi)該方面技術(shù)處于起步階段，但對(duì)該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)引起了足夠的重視。目前國(guó)家863計(jì)劃中就有這方面的相關(guān)課題，相信在我國(guó)廣大科研工作者的努力下，不久的將來必定能在該焊領(lǐng)域取得豐碩的成果。目前包括美國(guó)、巴西、日本、波蘭、南非等國(guó)都對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了研究。

如圖13a所示，摩擦疊焊的基本單元成形過程為摩擦液體填充過程焊FHPP，據(jù)預(yù)鉆焊孔、旋轉(zhuǎn)金屬棒軸截面幾何形狀的不同，F(xiàn)HPP又可分為圓柱形組合和圓錐形組合兩大類。在FHPP焊接過程中，通常是在基體母材上預(yù)鉆一盲孔，然后在孔中插入一個(gè)直徑略小且高速旋轉(zhuǎn)的金屬棒，同時(shí)在金屬棒上施加軸向力并保持一定的進(jìn)給速度。旋轉(zhuǎn)金屬棒與孔洞底部接觸剪切所產(chǎn)生的摩擦熱使其在摩擦接觸剪切面上發(fā)生塑性流動(dòng)，隨著塑性化金屬材料不斷填充孔洞以及雜質(zhì)的不斷排出，剪切面迅速?gòu)目锥吹撞可弦疲瑫r(shí)塑性化金屬材料與孔洞內(nèi)表面之間達(dá)到密切結(jié)合(見圖13b、圖13c)。一系列相互重疊或搭接的FHPP焊便構(gòu)成了摩擦疊焊，如圖13d～圖13g所示。根據(jù)焊縫的大小以及長(zhǎng)短，可以把摩擦疊焊的焊縫分為平行焊和搭接焊。

圖13 摩擦疊焊基本單元及成形過程示意

目前歐洲的一些海洋石油大國(guó)具備了應(yīng)用摩擦焊接技術(shù)進(jìn)行海洋石油鋼結(jié)構(gòu)商業(yè)作業(yè)的能力，但在國(guó)內(nèi)尚處于研發(fā)階段。浮式生產(chǎn)存儲(chǔ)卸貨裝置(FPSO)現(xiàn)在被廣泛的用于深海和淺海的油氣生產(chǎn)，如果FPSO的外殼遭到破壞，把它拖回到干船塢進(jìn)行維修，其代價(jià)是非常大的。而使用FHPP可提供一種特殊的水下修復(fù)方法來解決此類問題。水下機(jī)器人可通過磁場(chǎng)固定到FPSO的外殼上。這為那些隨時(shí)都可能出現(xiàn)問題但是又不能按照船塢的工作時(shí)間表運(yùn)到船塢維修的大體積物體提供了方便，比如航空母艦，巡洋艦等[10]。除了上述水下應(yīng)用以外，摩擦疊焊也可以用于陸上大氣環(huán)境下的連接作業(yè)，甚至可以充當(dāng)表面工程或材料加工領(lǐng)域的有效作業(yè)手段。例如：(1)摩擦鑄模技術(shù)(Friction moulding technique)；(2)零件內(nèi)外表面的摩擦涂覆技術(shù)(Friction cladding technique)；(3)諸如渦輪增壓器葉片類零件的固定連接成形技術(shù)(Plug fixing attachment formation)。根據(jù)所應(yīng)用場(chǎng)合具體情況的不同，旋轉(zhuǎn)金屬棒可以采用實(shí)心結(jié)構(gòu)，也可以采用空心結(jié)構(gòu)[11]。

3 結(jié)論

隨著社會(huì)的發(fā)展對(duì)焊接技術(shù)提出了更高的要求，加大對(duì)摩擦焊接技術(shù)的研究投入對(duì)我國(guó)航空制造、國(guó)防工業(yè)、海底油氣開采等領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。同時(shí)需要加強(qiáng)與摩擦焊接相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，如加強(qiáng)機(jī)器人研發(fā)，實(shí)現(xiàn)摩擦焊接自動(dòng)化，從而使摩擦焊接技術(shù)的應(yīng)用向海洋等更廣闊的領(lǐng)域發(fā)展。

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Analysis of friction processing technology and its engineering applications

CHEN Zhong-hai
(Wenzhou Vocational College of Science and Technology，Wenzhou 325006，China)

Friction welding is a highly efficient，energy-saving and with environmental protection solid-phase welding technology.Currently，friction welding has been widely used in manufacturing industry.This paper described friction welding in chronological order of its appearance，also introduced the principles and characteristics as well as Industrial applications of friction welding.In order to motivate the research of the engineering application of this process in our countries.

friction process；solid-phase welding technology；manufacturing industry

TG453+.9

C

1001-2303(2011)08-0101-06

2010-10-23；

2011-07-26

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50675022)；國(guó)家“863”高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2006AA09Z329)；北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(3073017)

陳忠海(1980—)，男，浙江記嘉人，碩士，主要從事摩擦疊焊以及電機(jī)、電子方面的教學(xué)研究工作。